DE3640044A1 - MONOCHROMATOR ARRANGEMENT - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Monochromatoranordnung mit einem verstellbaren Gittermonochromator, dessen Strah lengang einen Eintrittsfokus und einen gegenüber dem Eintrittsfokus seitlich versetzten Austrittsfokus aufweist.The invention relates to a monochromator arrangement an adjustable grating monochromator, the beam lengang one entry focus and one opposite Entry focus laterally offset exit focus having.
Solche Monochromatoranordnungen werden bei der Ver wendung von abstimmbaren Infrarot-Diodenlasern für die hochauflösende Spektroskopie, z.B. in der quantitativen Gasanalyse, verwendet, um das von dem Diodenlaser emit tierte Spektrum in einzelne Lasermoden bzw. Laser frequenzen zu separieren und die übrigen Moden auszu blenden. Zur Modenselektion werden dabei Gittermono chromatoren mit hoher Auflösung eingesetzt.Such monochromator arrangements are used in the Ver use of tunable infrared diode lasers for the high resolution spectroscopy, e.g. in the quantitative Gas analysis, used to emit that from the diode laser spectrum in individual laser modes or lasers separate frequencies and switch off the other modes dazzle. Grid mono are used for mode selection high resolution chromators are used.
Bei bekannten Monochromatoranordnungen ist es zu Justierzwecken erforderlich, einen Planspiegel inner halb der Monochromatoranordnung vor das Beugungsgitter einzuschwenken. Da ein solcher Spiegel notwendigerweise vor dem Beugungsgitter angeordnet ist, ändert sich beim eingeschwenkten Spiegel die Ausleuchtung der nach folgenden Optiken. Eine Opimierung der Ausleuchtung ist demnach nicht für alle Fälle erreichbar.In known monochromator arrangements, it is too Adjustment purposes required, a plane mirror inside half of the monochromator arrangement in front of the diffraction grating swivel in. Because such a mirror necessarily is placed in front of the diffraction grating changes when swiveled-in mirror the illumination of the following optics. An optimization of the illumination is therefore not available for all cases.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Er findung die Aufgabe zugrunde, eine Monochromatoranord nung zu schaffen, die nachträglich in einen äußeren Strahlengang eines Spektrometers und insbesondere in einen Zwischenfokus dessen äußeren Strahlengangs einge setzt werden kann, nachdem dieser bereits justiert worden ist, wobei diese Justierung voll erhalten blei ben soll. Based on this state of the art, the Er the task is based on a monochromator arrangement to create the afterthought in an external Beam path of a spectrometer and especially in an intermediate focus of the outer beam path can be set after this has already been adjusted has been, whereby this adjustment is fully preserved should.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Gittermonochromator eine ebene Umlenkspiegel auf weisende Umlenkeinrichtung zugeordnet ist, durch die der Eintrittsfokus und der Austrittsfokus in ein und denselben Zwischenfokus eines äußeren Strahlenganges abgebildet sind, der sich quer zur Verbindungslinie zwischen dem Eintrittsfokus und dem Austrittsfokus des Gittermonochromators erstreckt.This object is achieved in that a flat deflection mirror on the grating monochromator pointing deflector is assigned by the the entry focus and the exit focus in and the same intermediate focus of an outer beam path are shown, which is transverse to the connecting line between the entrance focus and the exit focus of the Lattice monochromator extends.
Bei der erfindungsgemäßen Monochromatoranordnung ist eine Justage und ein Betrieb der gesamten Spektrometer anordnung ohne Monochromator möglich.In the monochromator arrangement according to the invention an adjustment and operation of the entire spectrometer Can be arranged without a monochromator.
Bei der erfindungsgemäßen Monochromatoranordnung werden der Eintritts- und der Austrittsstrahl durch Umlenkspie gel so umgelenkt, daß der Eintritts- und der Austritts fokus in einen Punkt zu liegen kommen, wobei die Ein tritts- und Austrittsrichtungen identisch sind. Auf diese Weise kann die Monochromatoranordnung in Durch sicht in einem Zwischenfokus eines optischen Laser spektrometeraufbaus betrieben werden, ohne den äußeren Strahlengang zu beeinflussen. Ein Beugungsgitter in der Monochromatoranordnung wird zur Erhöhung der Dispersion doppelt und unter einem großen Winkel genutzt. Auf diese Weise wird auch bei einem kleinen Gitter von nur etwa 30 mm Kantenlänge eine genügend hohe Auflösung zur Modenselektion erreicht. Durch die Möglichkeit, mit einem kleinen Gitter auszukommen, kann die Monochroma toranordnung sehr schmal gebaut werden, was eine Anei nanderreihung in geringem Abstand ermöglicht. Im Mono chromator ist ein außeraxialer Parabolspiegel als Kollimator eingesetzt, um eine beugungsbegrenzte und astigmatismusfreie Abbildung zu erreichen. In the monochromator arrangement according to the invention the entrance and the exit beam through deflection spit gel deflected so that the entry and exit focus to come to a point, the one directions of entry and exit are identical. On in this way, the monochromator arrangement in through view in an intermediate focus of an optical laser spectrometer structure can be operated without the outer To influence the beam path. A diffraction grating in the Monochromator arrangement is used to increase the dispersion used twice and at a large angle. On this way even with a small grid of only about 30 mm edge length a sufficiently high resolution Mode selection reached. By being able to the monochrome can get by on a small grid Gate arrangement can be built very narrow, which is an Anei order in close proximity enables. In mono chromator is an off-axis parabolic mirror as Collimator used to be a diffraction limited and to achieve astigmatism-free imaging.
Dank der Umlenkeinrichtung der Monochromatoranordnung ist es möglich, den Eingangsfokus des Monochromators an den Ort eines Zwischenfokus des äußeren Strahlenganges zu bringen und den Ausgangsfokus des Monochromators durch Spiegelung ebenfalls in denselben Zwischenfokus derart abzubilden, daß der Monochromator den äußeren Strahlengang wieder herstellt und von außen wie eine Lochblende mit spektraler Filterwirkung erscheint. Die Umlenkeinrichtung ist integraler Bestandteil der Mono chromatoranordnung. Mittels eines Zentrierstiftes kann die Monochromatoranordnung reproduzierbar genau in einen freien Zwischenfokus der äußeren Spektrometeran ordnung eingefügt werden.Thanks to the deflection device of the monochromator arrangement it is possible to adjust the input focus of the monochromator the location of an intermediate focus of the outer beam path to bring and the output focus of the monochromator by mirroring also in the same intermediate focus map such that the monochromator the outer Restores beam path and from the outside like one Pinhole with spectral filter effect appears. The Deflector is an integral part of the mono chromator arrangement. Using a centering pin the monochromator arrangement reproducibly accurate in a free intermediate focus of the outer spectrometer order are inserted.
Zweckmäßige Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Appropriate training and refinements of Invention are characterized in the subclaims.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:The invention is based on a Drawing shown embodiment closer described. Show it:
Fig. 1 eine Monochromatoranordnung gemäß der Er findung in einer Seitenansicht, teilweise im Schnitt, Fig. 1 shows a monochromator in accordance with the He invention in a side view, partly in section,
Fig. 2 die Umlenkeinrichtung der Monochromatoran ordnung in einer vergrößerten Seitenansicht, Fig. 2, the deflection of the Monochromatoran order in an enlarged side view,
Fig. 3 die Umlenkeinrichtung gemäß Fig. 2 in einer Ansicht von oben, Fig. 3, the deflection device of FIG. 2 in a view from above,
Fig. 4 den prinzipiellen Strahlengang der Monochro matoranordnung in einer schematischen Seiten ansicht und Fig. 4 shows the basic beam path of the monochromator arrangement in a schematic side view
Fig. 5 den prinzipiellen Strahlengang der der Um lenkeinrichtung zugeordneten Monochromator anordnung in einer Draufsicht. Fig. 5 shows the basic beam path of the order associated with the monochromator arrangement in a plan view.
Die in Fig. 1 dargestellte Monochromatoranordnung verfügt über ein Monochromatorgehäuse 1 und ein Umlenk einrichtungsgehäuse 2, das als Einsteckteil ausgebildet ist und an seinem in Fig. 1 unteren Ende mit einem Zentrierstift 3 versehen ist.The monochromator arrangement shown in FIG. 1 has a monochromator housing 1 and a deflection device housing 2 , which is designed as a plug-in part and is provided with a centering pin 3 at its lower end in FIG. 1.
Links und rechts vom Umlenkeinrichtungsgehäuse 2 er kennt man einen konvergierenden eingehenden äußeren Strahlengang 4 und einen divergierenden ausgehenden äußeren Strahlengang 5. Der konvergierende äußere Strahlengang 4 stammt vom Licht eines abstimmbaren Infrarot-Lasers, der in der Zeichnung nicht dargestellt ist und bei höchst auflösender Spektroskopie, z.B. in der quantitativen Gasanalyse, Verwendung findet. Das Licht des in der Zeichnung nicht dargestellten Lasers ist auf einen Zwischenfokus 6 fokussiert, der dem konvergierenden äußeren Strahlengang 4 und dem diver gierenden äußeren Strahlengang 5 zugeordnet ist. Der divergierende äußere Strahlengang 5 gelangt zu einer in der Zeichnung ebenfalls nicht dargestellten Meßstrecke und schließlich zu einem in der Zeichnung nicht darge stellten Detektor.To the left and right of the deflector housing 2 he is known a converging incoming outer beam path 4 and a diverging outgoing outer beam path 5 . The converging outer beam path 4 comes from the light of a tunable infrared laser, which is not shown in the drawing and is used in high-resolution spectroscopy, for example in quantitative gas analysis. The light of the laser, not shown in the drawing, is focused on an intermediate focus 6 , which is assigned to the converging outer beam path 4 and the divergent outer beam path 5 . The diverging outer beam path 5 arrives at a measuring section, also not shown in the drawing, and finally to a detector not shown in the drawing.
Der Zwischenfokus 6 liegt innerhalb des Umlenkein richtungsgehäuses 2, wie am besten in den Fig. 2 und 3 zu erkennen ist, in der Öffnung der Eingangsloch blende 7 der Monochromatoranordnung. Die Öffnung der Eingangslochblende 7 bildet gleichzeitig den Eintritts fokus 8 für den im Monochromatorgehäuse 1 angeordneten Monochromator 9. Die Längsachse des Zentrierstiftes 3 geht durch den Zwischenfokus 6 und den Eintrittsfokus 8. The intermediate focus 6 is within the Umlenkein direction housing 2 , as can best be seen in FIGS. 2 and 3, in the opening of the input aperture 7 of the monochromator arrangement. The opening of the entrance aperture 7 simultaneously forms the entry focus 8 for the monochromator 9 arranged in the monochromator housing 1 . The longitudinal axis of the centering pin 3 passes through the intermediate focus 6 and the entry focus 8 .
Wenn die in Fig. 1 dargestellte Monochromatoranordnung aus dem Strahlengang des nicht dargestellten Laser spektrometers weggenommen wird, verändert sich der in Fig. 1 unten dargestellte konvergierende äußere Strah lengang 4 und divergierende äußere Strahlengang 5 in seiner Lage nicht. Die in Fig. 1 dargestellte Monochro matoranordnung wirkt daher wie eine Lochblende mit spektraler Filterwirkung.If the monochromator arrangement shown in FIG. 1 is removed from the beam path of the laser spectrometer, not shown, the converging outer beam path 4 and divergent outer beam path 5 shown in FIG. 1 do not change in position. The monochromator arrangement shown in FIG. 1 therefore acts like a pinhole with a spectral filter effect.
Nachdem das Licht des konvergierenden äußeren Strahlen gangs 4 die Eingangslochblende 7 im Umlenkeinrichtungs gehäuse 2 passiert hat, gelangt das Licht in dem die Eingangslochblende 7 verlassenden divergierenden äuße ren Strahlengang 5 in Fortpflanzungsrichtung des Lich tes kurz hinter der Eingangslochblende 7 auf einen ersten Umlenkspiegel 10, der in Fig. 1 zusammen mit einem zweiten Umlenkspiegel 11 in Seitenansicht die Gestalt eines X-Buchstabens hat und in den Fig. 2 und 3 deutlicher zu erkennen ist. Der erste Umlenkspiegel 10 lenkt in den Fig. 1 und 2 das Laserlicht um 90° nach oben ab, wobei der umgelenkte Strahl in den Fig. 1 und 2 mit dem Bezugszeichen 12 versehen ist. Der umgelenkte Strahl 12 bildet für den im Monochromatorge häuse 1 angeordneten Monochromator 9 den Eingangs strahl. Der Ausgangsstrahl 13 des Monochromators 9 ist in den Fig. 1, 2 und 4 überlappend mit dem Eingangs strahl 12 dargestellt, obwohl, wie am besten den Fig. 3 und 5 entnommen werden kann, der Ausgangsstrahl 13 beim Verlassen des Monochromators 9 gegenüber dem Eingangsstrahl 12 quer zur Fortpflanzungsrichtung des äußeren Strahlengangs 4, 5 versetzt ist, so daß der Ausgangsstrahl 13 auf den zweiten Umlenkspiegel 11 auftrifft, der, wie in Fig. 3 dargestellt ist, quer zur Fortpflanzungsrichtung 14 des äußeren Strahlengangs 4, 5 um einen Betrag V seitlich versetzt ist. After the light of the converging outer rays 4 has passed the entrance pinhole 7 in the deflector housing 2 , the light arrives in the exiting the aperture pinhole 7 diverging outer ray path 5 in the direction of propagation of the light just behind the pinhole aperture 7 on a first deflecting mirror 10 , the in Fig. 1 together with a second deflecting mirror 11 in side view has the shape of an X letter and can be seen more clearly in Figs. 2 and 3. The first deflecting mirror 10 deflects the laser light upward by 90 ° in FIGS. 1 and 2, the deflected beam being provided with the reference symbol 12 in FIGS. 1 and 2. The deflected beam 12 forms for the arranged in the Monochromatorge housing 1 monochromator 9 the input beam. The output beam 13 of the monochromator 9 is shown in FIGS. 1, 2 and 4 overlapping with the input beam 12 , although, as can best be seen in FIGS. 3 and 5, the output beam 13 when leaving the monochromator 9 with respect to the input beam 12 is offset transversely to the direction of propagation of the outer beam path 4 , 5 , so that the output beam 13 strikes the second deflecting mirror 11 which, as shown in FIG. 3, transversely to the direction of propagation 14 of the outer beam path 4 , 5 by an amount V laterally is offset.
Entsprechend dem seitlichen Versatz des zweiten Umlenk spiegels 11 ist in dem Umlenkeinrichtungsgehäuse 2 eine gegenüber der Eingangslochblende 7 versetzte Ausgangs lochblende 15 vorgesehen. Die Ausgangslochblende 15 ist, wie in Fig. 3 zu erkennen ist, gegenüber der Eingangslochblende 7 quer zur Fortpflanzungsrichtung 14 um den gleichen Betrag V versetzt wie der zweite Um lenkspiegel 11. Außerdem ist die Ausgangslochblende 15 um den Betrag A in Fortpflanzungsrichtung 14 verscho ben, wobei der Betrag A gleich dem Versatz V ist.Corresponding to the lateral offset of the second deflection mirror 11 , an output perforated diaphragm 15 is provided in the deflecting device housing 2, which is offset with respect to the input aperture 7 . The output pinhole 15 , as can be seen in FIG. 3, is offset from the input pinhole 7 transversely to the direction of propagation 14 by the same amount V as the second order deflecting mirror 11th In addition, the output pinhole 15 is shifted ben by the amount A in the direction of propagation 14 , the amount A being equal to the offset V.
Der Austrittsfokus 16 des Monochromators 9 liegt im richtig justierten Zustand genau in der Öffnung der Ausgangslochblende 15.The exit focus 16 of the monochromator 9 lies in the correctly adjusted state exactly in the opening of the exit aperture 15 .
Wie man am besten in Fig. 3 erkennt, lenkt der gegen über dem ersten Umlenkspiegel 10 um 90° verkippte zweite Umlenkspiegel 11 den Ausgangsstrahl 13 des Monochromators 9 auf einen dritten Umlenkspiegel 17, durch den der Ausgangsstrahl 13 des Monochromators 9 entgegen der Richtung des Versatzes des zweiten Umlenk spiegels 11 in bezug auf den ersten Umlenkspiegel 10 umgelenkt wird.As can best be seen in FIG. 3, the second deflecting mirror 11, which is tilted by 90 ° relative to the first deflecting mirror 10 , directs the output beam 13 of the monochromator 9 onto a third deflecting mirror 17 , through which the output beam 13 of the monochromator 9 counteracts the direction of the offset the second deflecting mirror 11 is deflected with respect to the first deflecting mirror 10 .
Ein vierter Umlenkspiegel 18 ist im Umlenkeinrichtungs gehäuse 2 in Verlängerung des auf den ersten Umlenk spiegel 10 auftreffenden divergierenden Strahlenbün dels, das in seiner Lage mit dem divergierenden äußeren Strahlengang 5 zusammenfällt, angeordnet und lenkt das den dritten Umlenkspiegel 17 verlassende Strahlenbündel um 90° in die Fortpflanzungsrichtung 14 um, so daß das den vierten Umlenkspiegel 18 verlassende Lichtstrahl bündel die gleiche Lage wie der divergierende äußere Strahlengang 5 hat. Die Spiegelanordnung im Umlenkein richtungsgehäuse 2 bewirkt somit einerseits, daß der Eingangsfokus des Monochromators 9 an den Ort des Zwischenfokus 6 des äußeren Strahlengangs 4, 5 gebracht wird und andererseits der Ausgangsfokus 16 des Mono chromators 9 durch Spiegelung an den Umlenkspiegeln 11, 17 und 18 ebenfalls an den gleichen Zwischenfokus 6 abgebildet wird, so daß die Monochromatoranordnung den äußeren Strahlengang 4, 5 unverändert läßt.A fourth deflecting mirror 18 is in the deflecting housing 2 in an extension of the first deflecting mirror 10 striking diverging radiation beam, which coincides in its position with the diverging outer beam path 5 , arranged and directs the third deflecting mirror 17 leaving rays at 90 ° into the Propagation direction 14 so that the light beam leaving the fourth deflecting mirror 18 has the same position as the diverging outer beam path 5 . The mirror arrangement in the Umlenkein direction housing 2 thus causes on the one hand that the input focus of the monochromator 9 is brought to the location of the intermediate focus 6 of the outer beam path 4 , 5 and on the other hand the output focus 16 of the mono chromator 9 by mirroring on the deflecting mirrors 11 , 17 and 18 also is imaged on the same intermediate focus 6 , so that the monochromator arrangement leaves the outer beam path 4 , 5 unchanged.
Im Anschluß an die Beschreibung der im Umlenkeinrich tungsgehäuse 2 vorhandenen Umlenkeinrichtung soll nunmehr der Aufbau des Monochromators 9 im Gehäuse 1 erörtert werden. Hierzu wird neben Fig. 1 Bezug ge nommen auf die Fig. 4 und 5.Following the description of the existing in the Umlenkeinrich device housing 2 deflection device, the structure of the monochromator 9 in the housing 1 will now be discussed. For this purpose, in addition to FIG. 1, reference is made to FIGS . 4 and 5.
Der Eingangsstrahl 12 des Monochromators 9 gelangt zunächst zu einem im Monochromatorgehäuse 1 um 45° gegenüber der Längsachse des Zentrierstiftes 3 geneig ten Faltungsspiegel 19. Nach Reflexion am Faltungs spiegel 19 gelangt die Strahlung auf einen als Kolli matorspiegel vorgesehenen außeraxialen Parabolspiegel 20, der im Gehäuse 1 mit Hilfe eines justierbaren Dreipunktlagers 21 befestigt ist. Durch den Parabol spiegel 20 wird die Strahlung zu einem Parallelstrahl 22 kollimiert und gelangt dann auf ein Gitter 23. Vom Gitter 23, das über einen Sinusantrieb 24 um eine Achse 25 rechtwinklig zur Fortpflanzungsrichtung im äußeren Strahlengang 4, 5 verkippbar ist, wird der Strahl in Richtung auf einen Planspiegel 26 gebeugt, der mit Hilfe eines justierbaren Dreipunktlagers 27 im Innern des Gehäuses 1 befestigt ist. Die Dispersionsebene des Gitters 23 verläuft parallel zur Zeichenebene, die zwischen dem Eintrittsfokus 8 und dem Austrittsfokus 16 verläuft. Der Planspiegel 26 wird bei der in Fig. 1 dargestellten Justierung im wesentlichen von unterhalb der Zeichenebene angestrahlt und reflektiert die einge fallene Strahlung schräg in Richtung oberhalb der Zeichenebene. Nach der Reflexion am Planspiegel 26 wird der Strahl 28 ein zweitesmal am Gitter 23 gebeugt und dann vom Parabolspiegel 20 in den Austrittsfokus 16 fokussiert, der in Fig. 4 oberhalb der Zeichenebene liegt, während sich in Fig. 4 der Eintrittsfokus 8 unterhalb der Zeichenebene befindet.The input beam 12 of the monochromator 9 first reaches a folding mirror 19 inclined in the monochromator housing 1 by 45 ° with respect to the longitudinal axis of the centering pin 3 . After reflection on the folding mirror 19 , the radiation reaches a collimator provided as off-axis parabolic mirror 20 , which is fixed in the housing 1 with the help of an adjustable three-point bearing 21 . Through the parabolic mirror 20 , the radiation is collimated into a parallel beam 22 and then reaches a grating 23 . From the grating 23 , which can be tilted about an axis 25 at right angles to the direction of propagation in the outer beam path 4 , 5 via a sine drive 24 , the beam is deflected in the direction of a plane mirror 26 , which is fastened in the interior of the housing 1 with the aid of an adjustable three-point bearing 27 . The dispersion plane of the grating 23 runs parallel to the drawing plane, which runs between the entrance focus 8 and the exit focus 16 . In the adjustment shown in FIG. 1, the plane mirror 26 is illuminated essentially from below the plane of the drawing and reflects the incident radiation obliquely in the direction above the plane of the drawing. After reflection on the plane mirror 26 , the beam 28 is diffracted a second time on the grating 23 and then focused by the parabolic mirror 20 into the exit focus 16 , which in FIG. 4 lies above the drawing plane, while in FIG. 4 the entry focus 8 is below the drawing plane .
Zur Verdeutlichung der Lage des Eintrittsfokus 8 und des Austrittsfokus 16 zeigt Fig. 5 eine Darstellung, die sich aus Fig. 4 bei einem Blick in Richtung eines Pfeiles 28 ergibt.To clarify the position of the entry focus 8 and the exit focus 16 , FIG. 5 shows a representation that results from FIG. 4 when looking in the direction of an arrow 28 .
Bei entsprechender Gitterstellung wird die Strahlung bereits bei der ersten Beugung am Gitter 23 in Richtung auf den Parabolspiegel 20 gebeugt. Der Parabolspiegel 20 ist jedoch so justiert, daß dann die fokussierte Strahlung nicht in den regulären Austrittsfokus 16 fallen kann und so eine Fehlmessung der Laserwellen länge vermieden wird. Bei einem regulären Durchgang wird die Strahlung durch Ausrichten des Planspiegels 26 auf den Austrittsfokus 16 hin fokussiert.With a corresponding grating position, the radiation is already diffracted at the first diffraction on the grating 23 in the direction of the parabolic mirror 20 . However, the parabolic mirror 20 is adjusted so that the focused radiation cannot fall into the regular exit focus 16 and an incorrect measurement of the laser wave length is avoided. In the case of a regular passage, the radiation is focused on the exit focus 16 by aligning the plane mirror 26 .
Wie der Fachmann der obigen Beschreibung entnehmen kann, sind der Eingangsstrahl 12 und der Ausgangsstrahl 13 nur quer zur Dispersionsebene des Gitters 23 ver setzt.As the person skilled in the art can see from the above description, the input beam 12 and the output beam 13 are only set transversely to the dispersion plane of the grating 23 .
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